Основными элементами индукционной печи являются: индуктор, каркас печи, механизм наклона, и футеровка. Кроме основных элементов конструкция может быть снабжена дополнительными (крышка, имеющая подъемный механизм, магнитный экран, рабочая площадка и т.п.). В данной статье мы более подробно рассмотрим основные элементы, из которых состоит индукционная печь.
Индуктор несет немаловажную ответственность за работу индукционной печи, создавая переменное магнитное поле, преобразующееся впоследствии в тепловую энергию. Кроме генерации вихревых токов индуктор отвечает также и за крепление тигля, удерживая его от смещений в случае наклона печи.
Плотность тока, проходящего через индуктор, в среднем равняется 20 А/мм2, однако электрические потери при этом равняются 20-30%, даже если индуктор будет изготовлен из отменного проводника – меди. Дополнительный нагрев индуктор получает от тепла, исходящего от тигля, в котором и происходит плавка. Чтобы избежать перегрева индуктора, очень важно охлаждать его во время работы.
Как правило, индуктор изготавливается из медной трубки, имеющей круглое сечение, но в некоторых случаях применяются неравно-стенные и профилированные трубки. Профилированные трубки применять целесообразнее, так как они позволяют уменьшить магнитный поток рассеивания, уменьшая размер зазора, образовывающегося между витками индуктора и тиглем.
В некоторых случаях необходимого числа витков не хватает, что не дает заполнить индуктор плотно по всей высоте, в этом случае лучше всего изготовить индуктор, удвоив количество витков, параллельно соединяя секции. Обратите внимание, что в этом случае секции будут наматываться в противоположном друг другу направлении. При создании индуктора необходимо изолировать витки друг от друга при помощи стеклоткани, обработанной кремниеорганическим лаком.
Индуктор, вместе с помещенным на него тиглем, устанавливаются на подину, которая, как правило, изготавливается из жаропрочного бетона, шамотных кирпичей или шамотных блоков. В промышленных печах тигель изготавливают непосредственно в самой установке. В этих целях индуктор закрепляют в установке, а внутри изолируют асбестом. После создания изоляционного слоя подину посыпают огнеупорными порошкообразными материалами, а затем пневматическими трамбовками уплотняют слоями по 5-7 см. На подготовленное днище устанавливается шаблон из углеродистой стали, имеющей толщину 2-3 мм, сделанный в форме будущего тигля. Кольцевой зазор, образовавшийся между индуктором и шаблоном, заполняют огнеупорным порошком и уплотняют точно такими же слоями, как и днище. Футеровка над верхним витком индуктора выполняется из уже обожженного кирпича, так как прогреть и произвести обжиг этого участка в печи будет проблемно. Сливной желоб и «воротник» проходят футеровку кирпичом, а затем их тщательно смазывают специальным огнеупорным составом.
Тигли небольшой емкости могут изготавливаться не в печи, а в специальных формах, а затем устанавливаться в печь уже готовыми. Образовавшийся между тиглем и индуктором зазор в таких случаях просто заполняется огнеупорными материалами. Такой способ значительно быстрее футеровки, однако он практически невыполним, если необходимо создать тигель большой емкости.
В некоторых случаях для предотвращения появления перебоев при работе крупных установок из-за набивки тигля, их могут снабдить двумя печами, чтобы в случае выхода тигля из строя переключить питание на вторую печь. Футеровка индукционных печей может эксплуатироваться в суровых условиях. Чтобы обеспечить минимальное рассеивание магнитных волн толщина футеровки должна быть минимальной, при этом прочность должна оставаться на высоком уровне, чтобы избежать растрескивания при резкой смене температур. Индукционная печь должна иметь огнеупорную и шлакоустойчивую футеровку.
К огнеупорным материалам, используемым при создании футеровки плавильной печи, предъявляются особенно жестокие требования. В огнеупорном порошке обязательно не должно быть магнитных или проводящих ток примесей, так как они не будут пропускать вихревые токи, забирая всю электрическую энергию, нагреваясь и расплавляя футеровку.
Футеровка индукционной печи может быть двух типов:
Кислая футеровка – применяется чаще всего в литейных цехах на заводах машиностроения. Изготавливается кислая футеровка из кварцита и кварцевого песка. Кислая футеровка дешевле основной, а также обладает отличной термостойкостью. Данный вид футеровки имеет более длительный срок эксплуатации за счет того, что может восстанавливаться под воздействием некоторых элементов, которые могут входить в состав легированной стали.
Основная футеровка применяется чаще, потому что производители считают, что она лучше всего подходит для взаимодействия с большинством металлов. Изготавливается она из магнезитового порошка, либо из порошка хромомагнезитовых кирпичей. В редких случаях может быть изготовлена из технического глинозема и цирконового песка.
Как правило, футеровка изготавливается из сухих материалов, но могут применяться и слегка увлажненные. Изготовленный тигель необходимо как следует просушить, а затем обжечь (для этого проводится специальный технологичный процесс, называемый обжиговой плавкой). В тигель с шаблоном загружается чугун, а затем нагрузка медленно поднимается до появления слабо-красного каления. Если футеровка была изготовлена из влажных материалов, то печь должна просушиться в течение 20 часов, а затем нагрузку можно будет увеличить, чтобы расплавить чугун.
Каркас печи – это основа, применяемая для крепления всех остальных элементов. Печи, имеющие высокую емкость, заполняются сплошным кожухом. Элементы каркаса в свою очередь должны иметь высокую прочность, чтобы выдерживать серьезные нагрузки. Каркас индукционной печи будет находиться в зоне воздействия мощного электромагнитного поля, а потому он может нагреваться до высоких температур. Чтобы свести потери на нагрев каркаса к минимуму, необходимо ослабить поток токов. Проще всего сделать это, разбив каркас на отдельные элементы, имеющие хорошую электроизоляцию друг от друга. Изготавливать каркас лучше всего из немагнитных и неэлектропроводных материалов. Несмотря на необходимость использования неэлектропроводных материалов, чаще всего применяют для создания каркаса наиболее доступный металл – сталь. Стальные части каркаса изолируют друг от друга, а в некоторых случаях целесообразным будет понизить уровень напряженности магнитного поля. Снизить уровень напряженности металла можно, если установить между каркасом и индуктором магнитные экраны или магнитопроводы.
Принцип действия механизма наклона в индукционной печи такой же, как и в дуговой: он призван обеспечивать наклон установки, чтобы дать возможность полностью сливать металл. На сегодняшний день существует множество механизмов, применяемых в индукционных печах. В большинстве случаев наклонный механизм состоит из лебедки с электромеханическим или ручным приводом, а также из троса, перекидываемого через блок.
Печи, имеющие большие габариты, наклоняют, используя тельфер. Крюк тельфера сцепляется с серьгой, которая укреплена на каркасе. На габаритную индукционную печь устанавливают гидравлический привод наклона.
Выше мы рассмотрели основные элементы конструкции индукционной плавильной печи, несущие ответственную задачу и отвечающие за ее работоспособность
